專利名稱：預制樁損傷分布式光纖檢測方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于巖土工程檢測技術領域，涉及一種基于分布式光纖傳感技術的預制樁損傷的檢測方法和檢測系統。
背景技術：
預制樁是目前我國建筑、交通、水利等行業中常用的深基礎形式之一。通常需要對預制樁實施壓力貫樁，目前主要包括錘擊法與靜壓法等兩種施工方式。由于壓力貫樁過程中局部應力集中以及孤石、堅硬地層、軟硬突變地層等不利地質條件的普遍存在，往往導致斷樁、局部損傷等基樁損傷出現，從而影響到樁基以及上部結構的安全性與耐久性。
現有各類預制樁損傷檢測方法難以實現對基樁貫入過程損傷的準確定位與定量，從而造成基樁損傷性狀與損傷程度的診斷依據缺乏，使得基樁的實際工作狀態難以定量確定。
BOTDR(Brillouin optical time-domain reflectometer)，中文名稱為布里淵散射光時域反射測量，是一種分布式的光纖應變傳感器，可以連續測量幾十公里范圍內的光纖應變分布。目前，該技術已被成功應用在建筑、隧道、堤壩等構筑物的安全監測當中。
基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術一BOTDR傳感技術是近幾年發展起來的一門新型傳感技術，它以光作為采集信號的載體，以光纖作為傳遞光信號的介質，具有耐久性好、無零點漂移、不帶電工作、抗電磁干擾、傳輸帶寬大等突出優點，可以實現對待測參數的連續分布式或準分布式測量，為傳統電子應變傳感技術難以企及的，目前在土木、水利、交通、石化、電力、醫療、機械、動力、船舶、航空、航天等領域推廣運用，逐步取代原有機電類傳感器。
目前BOTDR用于暴露式建筑物或基礎的應力分析，數據預處理主要是對異常識別、數據平滑、空間定位等功能。
還未見有布里淵散射光時域反射測量的方法用于預制樁損傷分布式光纖檢測。
發明內容
針對既有預制樁損傷檢測方法中存在的問題，本發明的目的在于，以沉樁過程中預制樁樁身應變分布作為反映基樁損傷性狀與損傷程度的基本參量，提出一種基于分布式光纖傳感技術的預制樁損傷檢測方法及檢測系統。
本發明的目的是這樣實現的預制樁損傷分布式光纖檢測方法和系統，在待測預制基樁表面布設傳感光纖，其應變量和溫度的傳感均基于布里淵背向散射，散射光的頻移與光纖的應變和溫度變化呈很好的線性關系，在脈沖光的入射端，通過對接受到的布里淵背向散射光功率的測量，完成光纖上各點的布里淵頻移的測量和定位功能；根據布里淵頻移與應變及溫度間的線性相關關系，可得待測基樁表面的應變分布和溫度分布，進行溫度補償，可得待測基樁表面的應變分布。以沉樁過程中預制樁樁身應變分布作為反映基樁損傷性狀與損傷程度的基本參量。
預制樁損傷分布式光纖檢測系統，由分布式光纖傳感線路、布里淵背向散射光數據采集設備、計算機和數據分析軟件等部分構成。待測基樁表面構成分布式傳感光纖回路；布里淵背向散射光數據采集設備通過GPIB通信接口和網絡接口實現與計算機的通信。
具體而言在待測基樁貫入前，首先根據測試要求確定傳感光纖鋪設路線，并預先在待測基樁表面刻出一道深約5mm的V字型凹槽，將傳感光纖布置在凹槽內預先打底的粘結劑中，并用粘結劑將凹槽填滿。傳感光纖為并行的兩股，其中一股為緊套光纖，被施以既定的預張力，用于待測基樁表面的應變分布測量；另一股為松套光纖，松馳布設，用于應變分布的溫度補償。應變量和溫度的傳感均基于布里淵背向散射技術。光脈沖在光纖中傳播時，會發生布里淵散射，其中一部分散射光會沿光纖原路返回至脈沖光的入射端，這部分光被稱為布里淵背向散射光。布里淵背向散射光的頻移與光纖的應變和溫度變化呈良好的線性關系。基樁入土后，在自重與樁頂荷載以及側壁摩阻力與樁尖阻力的作用下，處于受力平衡狀態，基樁表面的傳感光纖與基樁表面同步變形。在脈沖光的入射端，通過對接受到的布里淵背向散射光功率的測量，完成光纖上各點的布里淵頻移的測量和定位功能；根據布里淵頻移與應變和溫度之間的線性關系，可以得到測斜管外表面的應變分布和溫度分布。一旦基樁在貫入過程中出現損傷，在損傷處基樁表面會產生應變突變并反映到傳感光纖的測試數據上，據此可對基樁貫入過程中所出現的損傷位置、損傷性狀與損傷程度作出定量評價。
基于上述技術思路，本發明構建的監測系統的工作流程是，該系統由以下幾部分組成分布式光纖傳感線路、布里淵背向散射光數據采集設備、計算機和數據分析軟件。傳感光纖采用單模緊套光纖與單模松套光纖兩種，數據采集設備采用布里淵光時域反射計，得到傳感光纖的應變分布和溫度分布；利用BOTDR提供的GPIB通信接口和網絡接口實現與計算機的通信，BOTDR的工作狀態既可以通過手工控制，也可以受計算機控制，實現完全自動化的數據采樣和處理；得到的數據文件既可以存貯在BOTDR內置的硬盤上，也可以通過BOTDR的通信接口傳送至計算機內，由數據分析軟件對這些數據文件進行分析和計算。
本發明的特點是提供了一種利用分布式光纖傳感技術實現預制樁貫入過程損傷檢測的系統。該系統的第一個優點是可以實現基樁貫入過程中損傷位置、損傷性狀與損傷程度的定量評價；第二個優點是由于使用了光纖同時作為傳感元件與信號傳輸通道，不受潮濕、腐蝕性環境影響；第三個優點是可以實現遠程、在線、自動檢測，可以比較迅速地獲得測試基樁的損傷性狀。
四
圖1是測試基樁表面傳感光纖布置示意圖；圖2是本發明的系統框圖；圖3是本發明一個應用實例的測試結果；其中圖3(a)基樁縱向應變分布實測結果圖3(b)基樁環向應變分布實測結果五具體實施方式
下面結合附圖和本發明依技術方案所完成的實例，對本發明作進一步的詳細描述，本發明不限于這些實例。
本發明是一個預制樁貫入過程損傷分布式光纖檢測方法和系統，包括以下實施步驟沿待測基樁表面的凹槽分別并行布設兩條傳感光纖，一條為緊套光纖，另一條為松套光纖，分別對待測基樁外表面的應變和溫度進行測量；使用BOTDR測量傳感光纖的應變分布和溫度分布，獲得待測基樁表面的應變分布。BOTDR儀器本身具有操作面板，因此，儀器的采樣過程可以手動控制。另外，儀器本身具有GPIB接口，因此，儀器可以和計算機連接，由計算機對采樣過程進行控制；BOTDR采到的數據可以存儲在計算機的內部，也可以通過儀器的網絡接口和計算機連接，利用其運算功能對數據進行計算和分析，獲得基樁貫入過程中應變的分布，并根據應變分布的異常規律對基樁出現的損傷位置、損傷性狀與損傷程度作出定量評價。
本發明的傳感光纖有兩路，一路為緊套光纖，用于測量測斜管的應變。但由于光纖同時對溫度變化也敏感，因此，需要同時布設溫度傳感線路。這里，采用松套光纖作為溫度傳感線路。通過在光纖的一端注入脈沖光，光纖上各個點均會發生布里淵散射，其中一部分散射光沿光纖原路返回至入射端，進入光探測器，轉換為電信號后，經過放大、濾波等一系列的信號處理，得到光纖上采樣點處的布里淵散射光頻移，由頻移與光纖應變之間的線性關系，獲得光纖的應變分布。上述過程由BOTDR完成，計算機通過GPIB接口向BOTDR發送控制指令，獲取儀器的工作狀態，得到的數據文件由網絡接口導入計算機，由計算機程序對這些數據進行計算和分析，可以獲得基樁表面應變分布，并根據其異常規律對基樁出現的損傷位置、損傷性狀與損傷程度作出定量評價。
上述分布式光纖傳感系統，光纖作為傳感器使用，同時也作為信號傳輸媒介。
上述分布式光纖傳感系統，背向散射光檢測模塊是一臺BOTDR(BrillouinOptical Time Domain Reflectometer布里淵光時域反射計)，獲得光纖上各個采樣點的布里淵散射光頻移，利用BOTDR提供的GPIB通信接口和網絡接口實現與計算機的通信和數據交換。上述分布式光纖傳感系統，由計算機軟件自動對獲得的數據進行計算和分析，可以獲得基樁表面應變分布，并根據其異常規律對基樁出現的損傷位置、損傷性狀與損傷程度作出定量評價。
上述分布式光纖傳感系統，傳感光纖的直徑為0.9mm的單模光纖，以緊套光纖作為應變傳感器，以松套光纖作為溫度補償傳感器。
參見圖1，圖1是本發明一實施例AB型混凝土管樁表面的布纖方式。測試中將A樁作為下樁首先貫入。因此預先在其表面沿軸線方向開設4道細槽，兩兩互成90°；同時在樁尖距不同的截面位置沿環向開設細槽。A樁表面分別布置2道傳感光纖，每道光纖包含2股，其中1股為緊套傳感光纖，用于應變測量；另1道為松套傳感光纖，用于溫度測量。通過對A樁表面傳感光纖的測試數據分析，可以獲得沿樁身軸向的應變與樁身截面環向應變分布，對其變化異常規律進行分析，就可以對貫入過程中樁身出現的損傷的位置、性狀及損傷程度作出定量評價。B樁同樣沿軸向開設4道細槽，用于與A樁各道光纖的連接。
參見圖2，圖2是本發明的系統框圖。
參見圖3，對圖1中AB型混凝土管樁貫入過程中樁尖不同入土深度下的應變實測結果，其中圖(a)為樁尖入土深度分別為15m、16m、18m、20m、22m、24m、26m、28m時下樁沿樁身軸向的應變分布；圖(b)以上各入土深度時距下樁樁尖分別為1m、2m、3m、4m、5m、6m各截面環向應變分布。
權利要求
1.預制樁損傷分布式光纖檢測方法，在待測預制基樁表面布設傳感光纖，其應變量和溫度的傳感均基于布里淵背向散射，在脈沖光的入射端，通過對接受到的布里淵背向散射光功率的測量，完成光纖上各點的布里淵頻移的測量和定位功能；其特征是以沉樁過程中預制樁樁身應變分布作為反映基樁損傷性狀與損傷程度的基本參量，根據沉樁過程中預制樁樁身應變的布里淵頻移與應變及溫度間的線性相關關系，可得待測基樁表面的應變分布和溫度分布，進行溫度補償，可得待測基樁表面的應變分布。
2.根據權利要求1所述的預制樁損傷分布式光纖檢測方法，其特征是在待測基樁貫入前，首先根據測試要求確定傳感光纖鋪設路線，并預先在待測基樁表面刻出一道深約5mm的V字型凹槽，將傳感光纖布置在凹槽內預先打底的粘結劑中，并用粘結劑將凹槽填滿；傳感光纖為并行的兩股，其中一股為緊套光纖，被施以既定的預張力，用于待測基樁表面的應變分布測量；另一股為松套光纖，松馳布設，用于應變分布的溫度補償。應變量和溫度的傳感均基于布里淵背向散射技術。
3.預制樁損傷分布式光纖檢測系統，由分布式光纖傳感線路、布里淵背向散射光數據采集設備、計算機和數據分析軟件等部分構成，其特征是待測基樁表面構成分布式傳感光纖回路；在待測基樁表面布設傳感光纖，其中1股為緊套光纖，用于待測基樁表面應變分布測量；另1股為松套光纖，用于溫度補償。其應變量和溫度的傳感均基于布里淵背向散射，散射光的頻移與光纖的應變和溫度變化呈很好的線性關系，在脈沖光的入射端，通過對接受到的布里淵背向散射光功率的測量，完成光纖上各點的布里淵頻移的測量和定位功能；根據布里淵頻移與應變及溫度間的線性相關關系，可得待測基樁表面的應變分布和溫度分布，進行溫度補償，可得待測基樁表面的應變分布。布里淵背向散射光數據采集設備通過GPIB通信接口和網絡接口實現與計算機的通信。
4.由權利要求3所述的預制樁分布式光纖檢測系統，其特征是通過對樁身應變變化異常規律進行分析，從而確定基樁在貫入過程中產生的損傷的位置、性狀以及程度等定量信息。
5.由權利要求3所述的預制樁分布式光纖檢測系統，其特征是預制樁分布式光纖檢測系統由分布式光纖傳感線路、布里淵背向散射光數據采集設備、計算機和數據分析軟件等部分構成；溫度傳感光纖與應變傳感光纖被埋設在樁身表面預先開設的凹槽內；布里淵背向散射光數據采集設備BOTDR通過GPIB通信接口和網絡接口實現與計算機的通信和數據交換。
6.由權利要求3所述的土體深部變形分布式光纖測量系統，其特征是上述分布式光纖傳感系統，傳感光纖為直徑為0.9mm的單模光纖，以緊套光纖作為應變傳感器，以松套光纖作為溫度補償傳感器。
全文摘要
本發明為一個預制樁損傷的分布式光纖檢測方法及系統，方法是在待測預制基樁表面布設傳感光纖，其應變量和溫度的傳感均基于布里淵背向散射，在脈沖光的入射端，通過對接受到的布里淵背向散射光功率的測量，完成光纖上各點的布里淵頻移的測量和定位功能；其特征是以沉樁過程中預制樁樁身應變分布作為反映基樁損傷性狀與損傷程度的基本參量，根據沉樁過程中預制樁樁身應變的布里淵頻移與應變及溫度間的線性相關關系，可得待測基樁表面的應變分布和溫度分布，進行溫度補償，可得待測基樁表面的應變分布。
文檔編號G01D5/26GK1900434SQ20061008608
公開日2007年1月24日 申請日期2006年7月25日 優先權日2006年7月25日
發明者施斌, 張巍, 王寶軍, 索文斌, 王小明, 劉杰, 劉春 , 隋海波, 朱友群, 魏廣慶, 李科, 陳峰軍, 張丹, 樸春德 申請人:南京大學
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